Новое исследование MIT предполагает, что источник высокоэнергетических «частиц-призраков», обнаруженных на сегодняшний день, — последний выдох первичной чёрной дыры.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Physical Review Letters, физики MIT выдвинули веские теоретические аргументы в пользу того, что недавно обнаруженное высокоэнергетическое нейтрино могло быть продуктом взрыва первичной чёрной дыры за пределами нашей Солнечной системы.
Нейтрино: частицы-призраки
Нейтрино иногда называют «частицами-призраками» за их невидимую, но вездесущую природу: они являются наиболее распространёнными частицами во Вселенной, но оставляют едва заметный след. Учёные недавно идентифицировали признаки нейтрино с самой высокой зарегистрированной энергией, но источник такой необычно мощной частицы ещё предстоит подтвердить.
Первичные чёрные дыры
Исследователи из MIT предполагают, что таинственное нейтрино могло произойти от неизбежного взрыва первичной чёрной дыры. Первичные чёрные дыры (PBHs) — это гипотетические чёрные дыры, которые являются микроскопическими версиями гораздо более массивных чёрных дыр, лежащих в центре большинства галактик. Предполагается, что PBHs образовались в первые моменты после Большого взрыва. Некоторые учёные считают, что первичные чёрные дыры могут составлять большую часть или всю тёмную материю во Вселенной сегодня.
Подобно своим более массивным собратьям, PBHs должны терять энергию и уменьшаться в размерах с течением времени в процессе, известном как излучение Хокинга, которое было предсказано физиком Стивеном Хокингом. Чем больше чёрная дыра излучает, тем горячее она становится и тем больше высокоэнергетических частиц она испускает. Это неудержимый процесс, который должен привести к невероятно мощному взрыву наиболее энергитичных частиц непосредственно перед испарением чёрной дыры.
Расчёты исследователей MIT
Физики MIT подсчитали, что, если PBHs составляют большую часть тёмной материи во Вселенной, то небольшая их часть должна испытывать свои последние взрывы сегодня по всей галактике Млечный Путь. И должна существовать статистически значимая вероятность того, что такой взрыв мог произойти относительно близко к нашей Солнечной системе. Взрыв должен был выпустить всплеск высокоэнергетических частиц, включая нейтрино, одно из которых могло с большой вероятностью поразить детектор на Земле.
Если такой сценарий действительно имел место, недавнее обнаружение нейтрино с самой высокой энергией станет первым наблюдением излучения Хокинга, которое давно предполагалось, но никогда не наблюдалось напрямую ни у одной чёрной дыры. Более того, это событие может указывать на то, что первичные чёрные дыры существуют и составляют большую часть тёмной материи — таинственной субстанции, которая составляет 85% от общего количества материи во Вселенной, природа которой остаётся неизвестной.
«Оказывается, существует сценарий, в котором всё, кажется, сходится, и мы не только можем показать, что большая часть тёмной материи [в этом сценарии] состоит из первичных чёрных дыр, но мы также можем производить эти высокоэнергетические нейтрино в результате случайного взрыва PBH поблизости», — говорит ведущий автор исследования Александра Клипфель, аспирантка физического факультета MIT. «Это то, что мы теперь можем попытаться найти и подтвердить с помощью различных экспериментов».
Обнаружения детекторов KM3NeT и IceCube
В феврале учёные из кубического километрового нейтринного телескопа (KM3NeT) сообщили об обнаружении нейтрино с самой высокой энергией, зарегистрированной на сегодняшний день. KM3NeT — это крупномасштабный подводный нейтринный детектор, расположенный на дне Средиземного моря, где окружающая среда должна подавлять эффекты любых частиц, кроме нейтрино.
Учёные, управляющие детектором, зафиксировали признаки проходящего нейтрино с энергией более 100 петаэлектронвольт. Один петаэлектронвольт эквивалентен энергии 1 квадриллиона электронвольт.
«Это невероятно высокая энергия, намного превосходящая то, что люди способны ускорить до частиц», — говорит Клипфель. «Нет единого мнения о происхождении таких высокоэнергетических частиц».
Подобные по энергии нейтрино, хотя и не такие высокие, как то, что наблюдал KM3NeT, были обнаружены обсерваторией IceCube — детектором нейтрино, встроенным глубоко в лёд на Южном полюсе. IceCube обнаружил около полудюжины таких нейтрино, необычно высокая энергия которых также не поддаётся объяснению.
Учёные из обсерватории IceCube позволяют учёным рассчитать вероятную частоту, с которой нейтрино такой энергии обычно достигают Земли. Однако, если бы эта частота была верной, было бы крайне маловероятно увидеть ультравысокоэнергетическое нейтрино, недавно обнаруженное KM3NeT.
Теоретический анализ
Первым шагом учёных в их теоретическом анализе было подсчитать, сколько частиц будет излучаться взрывающейся чёрной дырой. Все чёрные дыры должны со временем медленно излучать. Чем больше чёрная дыра, тем она холоднее, и тем более низкоэнергетические частицы она излучает по мере медленного испарения. Таким образом, любые частицы, излучаемые в результате излучения Хокинга тяжёлыми чёрными дырами звёздной массы, было бы практически невозможно обнаружить.
Однако гораздо меньшие первичные чёрные дыры были бы очень горячими и испускали бы высокоэнергетические частицы в процессе, который ускоряется по мере приближения чёрной дыры к полному исчезновению.
«У нас нет никакой надежды обнаружить излучение Хокинга от астрофизических чёрных дыр», — говорит Клипфель. «Так что, если мы когда-нибудь захотим его увидеть, наши лучшие шансы — это самые маленькие первичные чёрные дыры».
Исследователи подсчитали количество и энергию частиц, которые чёрная дыра должна излучать, учитывая её температуру и уменьшающуюся массу. По их оценкам, в свою последнюю наносекунду, когда чёрная дыра станет меньше атома, она должна излучать последний всплеск частиц, включая около 10^20 нейтрино, или около секстиллиона частиц, с энергиями около 100 петаэлектронвольт (вокруг энергии, которую наблюдал KM3NeT).
Они использовали этот результат для расчёта количества взрывов PBH, которые должны были произойти в галактике, чтобы объяснить результаты, о которых сообщалось в IceCube. Они обнаружили, что в нашем регионе галактики Млечный Путь около 1000 первичных чёрных дыр должны взрываться на кубический парсек в год. (Парсек — это единица расстояния, равная примерно 3 световым годам, что составляет более 10 триллионов километров.)
Затем они рассчитали расстояние, на котором один такой взрыв в Млечном Пути мог произойти так, чтобы лишь несколько высокоэнергетических нейтрино достигли Земли и вызвали недавнее событие KM3NeT. Они обнаружили, что PBH должна была взорваться относительно близко к нашей Солнечной системе — на расстоянии примерно в 2000 раз большем, чем расстояние между Землёй и нашим Солнцем.
Частицы, испускаемые таким близким взрывом, будут излучать во всех направлениях. Однако команда обнаружила, что существует небольшая — 8% — вероятность того, что взрыв может произойти достаточно близко к Солнечной системе, раз в 14 лет, чтобы достаточное количество ультравысокоэнергетических нейтрино достигло Земли.
«8% — это не очень много, но это вполне в пределах того диапазона, в котором мы должны серьёзно относиться к таким шансам — тем более, что до сих пор не было найдено другого объяснения, которое могло бы объяснить как необъяснимые нейтрино с очень высокой энергией, так и ещё более удивительное событие с ультравысокоэнергетическим нейтрино», — говорит Кайзер.
Сценарий команды, по-видимому, подтверждается, по крайней мере, теоретически. Чтобы подтвердить их идею, потребуется гораздо больше обнаружений частиц, включая нейтрино с «безумно высокой энергией». Затем учёные смогут собрать более полную статистику о таких редких событиях.
«В этом случае мы могли бы использовать весь наш накопленный опыт и инструментарий, чтобы попытаться измерить всё ещё гипотетическое излучение Хокинга», — говорит Кайзер. «Это стало бы первым в своём роде доказательством одного из столпов нашего понимания чёрных дыр — и могло бы объяснить эти аномальные события с высокоэнергетическими нейтрино. Это очень захватывающая перспектива!»
В то же время другие усилия по обнаружению близлежащих PBHs могут дополнительно подкрепить гипотезу о том, что эти необычные объекты составляют большую часть или всю тёмную материю.
Предоставлено Массачусетским технологическим институтом.